Laserové svařování je metoda spojování dvou materiálů dohromady pomocí laserového paprsku jako koncentrovaného zdroje tepla k roztavení a tavení materiálů v jejich kontaktním bodě. Nabízí výhody oproti tradičním svařovacím technikám, jako je vyšší rychlost, snadnější automatizace, zlepšená kvalita a přesnost a rozšířené možnosti materiálů.Svařování studeným laseremse týká podskupiny metod laserového svařování, které zahrnují mnohem nižší tepelný příkon ve srovnání se standardním laserovým svařováním. Jak to ale funguje a jaké jsou dnes hlavní techniky svařování studeným laserem?
Nižší tepelný příkon
Podle definice studené laserové svařování využívá výrazně nižší hustotu výkonu laseru a tepelného příkonu než teplejší metody tavného svařování. To umožňuje spojování materiálů citlivějších na teplo, jako jsou plasty nebo tenké fólie, s menší deformací, hořením nebo jiným tepelným poškozením ve srovnání s horkým laserovým svařováním.[1]
Typické techniky svařování laserem za studena dodávají pouze 25-30 % energie vložené při konvenčním laserovém svařování. To se rovná výkonovým hustotám nižším než 1 megawatt na centimetr čtvereční a špičkovým teplotám nižším než 2500 stupňů F na površích spojovacích čar.[2]
Nižší žár minimalizuje deformaci součástí a rizikové metalurgické změny ve svařovaných součástech. Umožňuje také úspěšné spoje ve vysoce reflexních materiálech, jako je hliník nebo měď, které by za normálních okolností větší množství laserové energie spíše odklonily, než aby ji absorbovaly.[3]
Hlavní techniky svařování laserem za studena
Mezi tři hlavní kategorie laserového svařování za studena patří:
1. Laserové svařování s nízkou hustotou výkonu
To zahrnuje snížení hustoty výkonu standardních polovodičových nebo vláknových laserů na 0,5 megawattů na cm2 nebo méně. Umožňuje sváry až do hloubky 0,5 mm při minimalizaci tepelného příkonu a metalurgického dopadu na citlivé slitiny.[4]
2. Laserové skenování
Tato metoda rychle osciluje nebo skenuje laserový paprsek přes šev při pulzním vypalování. Kombinace širšího paprsku a rychlého pohybu omezuje přísun tepla navzdory použití hustoty výkonu nad 2 megawatty na cm2. Usnadňuje svařování exotických leteckých slitin a oušek baterií.[5]
3. Laserové mikrosvařování
To využívá infračervené laserové diody vyzařující vlnové délky naladěné na absorpční špičky polymerů. Pečlivé řízení emisí pod 150 wattů vytváří úzké svary o hloubce méně než 0,1 mm, ale dostatečně pevné pro součásti, jako jsou lékařské katetry a mikroelektronika.[6],[7]
Výhody oproti standardnímu laserovému svařování
Zatímco maximální rychlosti a hloubky svaru jsou omezeny, techniky studeného laseru nabízejí výhody včetně:
- Minimalizace deformací součástí a škodlivých změn metalurgie
- Zabránění tepelnému poškození a ztrátě teploty u citlivých slitin
- Usnadnění silných přesných spojů ve vysoce reflexních a vodivých materiálech, které byly dříve nesvařitelné
- Spojování termoplastů a polymerních nepodobných materiálových párů náchylných k tepelné degradaci
- Umožňuje automatizované svařování extrémně tenkých fólií až do tloušťky 0,05 mm [8]
Svařování studeným laserem tedy zaplňuje důležitou mezeru – usnadňuje složité spojování kovů, plastů a materiálových směsí, které nejsou kompatibilní s konvenčními metodami laserového svařování s vyšší teplotou.
Aplikace využívající výhody
Letecký a kosmický průmysl, elektronika a průmysl lékařských zařízení používají řešení pro svařování studeným laserem, aby využili výhody, jako je umožnění spojů náročných materiálů s minimálním zkreslením na malých, složitých součástech.
Příklady aplikací zahrnují:
- Hermetické těsnění titanových krytů kardiostimulátorů [9]
- Svařování vnějších vakuových komor pro hmotnostní spektrometry [10]
- Spojování cívek z niklové fólie v elektrických generátorech při zachování magnetických vlastností [11]
- Těsnící polymery v náplastech pro dodávání léků bez tepelně zkapalňujících lepidel [12]
Techniky studeného laseru tedy při práci v menších měřítcích umožňují spojování kritických vazeb ve slitinách kosmické kvality, diagnostických přístrojích a záchranných lékařských součástech, kde je zachování vlastností a rozměrů základního materiálu prvořadé.
Celkem
Studené laserové svařování využívá laserové techniky se sníženou hustotou energie, které omezují přívod tepla během přesného svařování. Udržování nízkých teplot minimalizuje deformaci součásti a metalurgické poškození a zároveň umožňuje spoje ve vysoce reflexních a tepelně citlivých součástech, které byly dříve mimo limity pro svařování horkým tavením. Přestože studený laser pracuje v mikroměřítku, umožňuje složité spojování exotických a nepodobných materiálových párů, které jsou důležité pro aplikace od satelitů po chirurgické implantáty.
Xi'an Guosheng Laser Technology Co., Ltd. je high-tech podnik specializující se na výzkum a vývoj, výrobu a prodej automatického laserového plátovacího stroje, vysokorychlostního laserového plátovacího stroje, laserového kalícího stroje, laserového svářecího stroje a laserového 3D tiskového zařízení. Naše produkty jsou nákladově efektivní a prodávají se doma i v zahraničí. Máte-li zájem o naše produkty, kontaktujte nás nabob@gshenglaser.com.
Reference:
[1] Katayama, S. Handbook of Laser Welding Technologies. Nakladatelství Woodhead. 2013. str. 342.
[2] Zpracování technických materiálů iontovým laserem JC: Principy, postup a průmyslové využití. Elsevier. 2005. p 203-204.
[3] Dawes C. Laser Welding: Praktický průvodce. Nakladatelství Woodhead. 1992. str. 88.
[4] Kah P, Suoranta R, Martikainen J, Magnus C. Techniky spojování rozdílných materiálů: kovy a polymery. Rev Adv Mater Sci. 2014;36:152-164.
[5] Kah P, Suoranta R, Martikainen J. Pokročilé techniky laserového svařování transparentních polymerů. Fyzikální postup. 2015;78:182-190.
[6] Acherjee B, Mondal B, Tudu B, Misra D. Pokrok a nedávné inovace v technologii svařování laserovým paprskem. Optika a lasery ve strojírenství. 2021; 140:106877.
[7] Roesner A, Scheik S, Olowinsky A, Gillner A, Reisgen U, Schleser M. Laserové svařování polymerů pomocí vysokointenzivních laserů. Journal of Laser Micro Nanoengineering. 2019;14(1):1-6.
[8] Katayama S. Jevy laserového svařování při svařování tenkých fólií. Journal of Laser Applications. 1. června 2011;23(2):022005.
[9] L resp.ampe T, Roos E. Výzkumy tavného svařování titanových slitin pro kardiostimulátory. Materiály pro zdravotnické prostředky II: sborník z konference Materials & Processes for Medical Devices Conference. 8. listopadu 2004 12-6.
[10] Synowicki RA. Materiálové problémy pro svařované titanové vakuové komory v aplikacích hmotnostní spektrometrie. 18. aktuální setkání o vědě o energii z jaderné syntézy. 28. října 1999.
[11] Dilger K, Nussbaum C, Nusbickel W, Rodman R. Laserové svařování elektrotechnických ocelí a jeho technologické důsledky na střídavá magnetická jádra. IEEE transakce na magnetech. 1992 září;28(5):2260-3.
[12] D commandssingh SP, Wieduwilt TJ. Využití procesu laserového transmisního svařování pro těsnění protetických pomůcek pro implantaci. Patentová přihláška Spojených států US 06/938,069. 4. prosince 1974.